半潛式平臺大合攏前后的拖航方案研究與應用

王會峰張慶營姜立群

(海洋石油工程股份有限公司,天津 300461)

0 引 言

拖航是指利用拖輪為尚不具備自主航行能力的已建造好的船舶或者海洋平臺提供航行動力的運輸作業。近年來,國內外對于平臺拖航有較多計算研究,文獻[1]對半潛式平臺拖航計算利用分離渦流模擬法對平臺拖航阻力、流場分布進行了研究,結論為下浮體在不同流向下具有曲線脈動特性。文獻[2]由海油工程與大連理工大學共同完成,在研究的張力腿平臺拖航數值模擬試驗中,給出了平臺在出塢及安裝期間拖航阻力的計算,基于Fluent軟件在張力腿平臺不同吃水航速以及拖輪布置情況下,分析了拖航阻力系數以及流程分布特性的數值模擬,以經驗公式回歸計算平臺拖航阻力,為平臺在船塢建造拖航時給出施工指導。文獻[3]對于筒體形式的海洋平臺進行了課題研究,通過模型試驗方法測定了不同拖航方式條件下平臺產生的拖纜力、筒內氣體和水壓力,通過力學分析參數測試給出圓筒結構最優拖航組合的結論。文獻[4]研究了Spar平臺濕拖計算方法,通過數值模擬分析以及實驗驗證的方式,給出了平臺垂蕩期間流場變化規律。本文結合國內外拖航研究成果,根據某深水半潛式平臺船體和上部模塊的建造大合攏實施方案,選定在煙臺來福士船廠大塢內進行船體和模塊完工后的大合攏作業。本文研究的拖航作業內容包括平臺的下船體到達煙臺預定錨地后的拖航進塢,及后續在來福士大塢內完成上模塊與船體大合攏后的半潛式平臺整體拖航出塢靠泊場地碼頭。經前期分析核實,煙臺建造場地的龍門吊具備合攏能力,港池的平臺拖航航線和泊位尺度均滿足該半潛式平臺進出泊位要求。基于該船廠設備設施資源能力,本文進一步開展平臺拖航方案研究。

1 平臺拖航穩性計算

1.1 平臺拖航工況分析

本文拖航研究對象為半潛式平臺,三維圖如圖1所示,上部組塊主尺度(長×寬×高)為91.5 m×49.5 m×36.5 m,總甲板面積為11 300 m2,船體總長為91.5 m,船體浮箱尺寸為49.5 m×21 m×9 m,船體立柱尺寸為21 m×21 m×59 m,在位排水量為105 000 t[5]。

圖1 平臺三維示意圖Fig.1 Three dimensional schematic diagram of platform

半潛式平臺在大合攏場地主要有以下4種拖航工況:拖航工況1定義為船體從錨地浮卸區運輸到船廠指定碼頭;拖航工況2定義為船體從指定碼頭拖航到船塢內;拖航工況3定義為大合攏后平臺從船塢拖航回到該指定碼頭處臨時靠泊;拖航工況4定義為大合攏后平臺從指定碼頭處拖航出港到達指定錨地。

上述4種拖航工況下船舶/平臺的壓載吃水情況分析如下:工況1下船體根據壓載艙容量情況留下約350 t壓載水以備拖航過程中保持船體自身的漂浮姿態,該工況的吃水為5.7 m;工況2上模塊已經進入大塢并利用泰山吊將其起升,此時船體將從指定碼頭通過拖輪與上模塊匯合完成既定大合攏作業。此時應注意規避下船體進塢碰撞上模塊的風險,因此下船體應加大壓載量,將大合攏階段船體吃水調整為7.2 m;與船體拖航相比,合攏后的平臺因重心提高及上模塊增加拖航受風面積,工況3的平臺吃水為9 m,工況4的平臺吃水為10.2 m。

1.2 平臺拖航穩性計算依據

本文對于半潛式平臺柱穩性平臺的計算依據是海上移動式鉆井平臺構造和設備規則中對柱穩式平臺完整穩性的穩性衡準要求[6]。結合本工程涉及的工況進行具體分析,對從浮卸地到來福士靠泊碼頭(工況1),從靠泊碼頭到船塢(工況2)和出塢到靠泊碼頭(工況3)3 種拖航工況進行分析。經NAPA 軟件評估計算,穩性滿足要求。

根據平臺穩性規范有2 條衡準項。如圖2 所示,衡準要求1是進水角處復原力矩曲線應比同一限制角度傾斜力矩曲線面積大30%,衡準要求2是復原力矩曲線到第二交叉點的角度為不能為負值[7-8]。

圖2 穩性衡準曲線圖Fig.2 Curve of stability criterion

1.3 穩性分析與計算結論

通過NAPA 軟件分別對上述4種工況運行軟件并輸出計算結果。

(1)NAPA 軟件建模分析流程。

根據總布置圖和艙室布置圖,了解項目艙室布置信息;

利用NAPA 的SUR 模塊,將項目的外殼建立起來;

利用NAPA 的DEF 模塊,主要將模型的液艙建立起來;

利用NAPA 的MOD 模塊,將建立的艙室集成一個項目布置。

(2)NAPA 軟件中相關參數的設置。

建立外殼后,設置外殼的平均板厚,用來決定項目不同吃水下排水量、浮心、穩性高等靜水力參數;

建立艙室的過程中,設置型材的折減系數、裝載率、液體密度等艙室裝載參數;

穩性計算前,根據規范設置穩性衡準,計算進水點和風速等參數。

經計算,工況1軟件輸出結果如圖3所示,穩性衡準為1.3。復原力矩曲線夾角為0°。

圖3 4種工況的穩性衡準曲線圖Fig.3 Stability curve under four working conditions

如圖3所示,4種工況的穩性衡準1計算數值均大于標準值1.3,滿足要求;穩性衡準2計算數值為0,也滿足要求。穩性計算結論是,通過在4種平臺拖航及所需壓載吃水工況軟件計算分析下,穩性結果均滿足規范的穩性標準要求,說明拖航工況下平臺穩性是合格的。

2 平臺拖航阻力計算

平臺拖航阻力計算是拖輪選取及拖航方案的重要參考依據。該平臺拖航阻力計算工況選取與穩性計算工況選取一致,也分為4種工況進行阻力計算。其中,工況1和工況4涉及近海海域運輸,靜水面以上10 m 每分鐘平均風速要求為17.7 m,工況2為船體拖航進塢和工況3為大合攏后平臺拖航出塢到靠泊碼頭,由于屬于近岸運輸,平均風速要求為10 m,4種工況的有義波高要求為5 m。

2.1 平臺拖航阻力計算依據

常規拖航阻力計算會采用《海上拖航指南》的規范估算方法,由于半潛式平臺下船體構成為回形浮箱與立柱結構結合,與常規長條狀流線式的船舶不同,剩余阻力會比大計算結果與實際結果差距較大[9]。使用CFD 方法計算波浪總阻力時,計算時間會非常長,而項目周期受限制,無法在短時間內得到CFD總阻力結果。故采用一種折中的方法,使用CFD計算流載荷系數Cc,根據Fc=Cc×U2得到不同流速下的流載荷。甲板上建筑結構復雜,這需要大量的時間進行結果分析和模型調整,而參考以前的項目經驗,使用規范方法計算風載荷結果會偏大,這對實際項目是有利的。所以采用CFD 計算靜水阻力,規范方法計算風載。因此本文的拖航阻力計算策略選擇將靜水阻力利用CFD 軟件數值模擬分析計算,而風載荷和流載荷則以更加貼合船舶線性的理論公式進行計算。

假定風、波、航速的方向從船頭到船尾,選取拖航總阻力公式直接計算方法。

總阻力公式為

式中,FT為拖航總阻力;FW為風載荷;Fc為靜水拖航阻力,Fd為平均波飄力。

2.2 平臺風載荷

風載荷公式為

式中,ρ為空氣密度(kg/m3),1.22 kg/m3;V為風速,m/s;Ai為受風面積(m2);Cs為形狀系數。

參考各工況不同的受風面積∑CsAi,可計算得出各工況的風載荷計算值。

2.3 平臺靜水拖航阻力

靜水拖航阻力采用CFD 軟件進行數值模擬計算,計算平臺在各工況下的單位航速下(1 m/s)的靜水拖航阻力結果。

經計算,在1 m/s單位航速下,工況1靜水拖航阻力Fc=287.75 k N/(m/s)2,工況2靜水拖航阻力Fc=356.19 k N/(m/s)2,工況3靜水拖航阻力Fc=460.75 k N/(m/s)2,工況4 靜水拖航阻力Fc=578.91 k N/(m/s)2。當航速為1～4 kn 時,4 種工況的靜水拖航阻力如表1所示。

表1 4種工況的靜水拖航阻力數值Tab.1 Hydrostatic towing resistance values under four working conditions

2.4 平臺平均波漂力

當計算吃水為15 m 時,有義波高為5 m,平均波漂為Fd=328.92 k N。

2.5 拖航速度計算

根據Noble Denton 0030/ND,當有義波高Hs=5 m,30 ＜BP＜90 時,拖輪效率為7.5+0.75×BP(%)[10]。 拖輪拖力計算如表2所示,不同拖輪拖航航速如表3所示。

表2 拖輪拖力計算Tab.2 Calculation of towing force of tugboat

表3 拖輪拖航航速Tab.3 Towing speed of tugboat

2.6 平臺拖航總阻力

表4為根據4種工況計算的拖輪在1～4 kn航速下總阻力數值。

2.7 拖輪的選型

經與煙臺港聯系落實,在船體拖航入塢和大合攏期間,平臺拖航作業鎖定了6條4 000 hp以上拖輪船期,擬定的6條拖輪拖力范圍為50～60 t,總拖力為341 t。

根據拖航總阻力計算結果,工況1拖航速度應不超過3 kn,計算依據為4 kn 時拖航總阻力為2119.02/9.8=216.23(t)。 計劃使用5條拖輪,1條加急備用,總拖力為281 t。拖帶系數為281/213.23=1.31,且同時能夠滿足工況2的拖力要求。

大合攏后平臺靠泊碼頭和平臺出港,工況4拖航速度應不超過2 kn,拖航總阻力為2 313.16/9.8=236.04(t)。 選擇使用6 條拖輪,計算依據為3 kn時拖輪總拖力為341 t。拖帶系數為341/236.04=1.44,且同時能夠滿足工況3的拖力要求。

3 船體進塢及平臺出塢拖航方案

根據上述穩性計算和阻力計算報告,為船體和平臺拖航提供數據理論支持,進而開展拖輪選型及實施布置,拖航方案設計,拖航安全管理工作。

3.1 4種拖航工況下的拖輪布置

工況1的船體拖航碼頭作業分析,船體拖航是由某大型半潛駁船從煙臺錨地下潛,船體吃水位達到5.7 m 后,使用5艘拖輪拖曳到煙臺場地碼頭,船體拖輪布置示意圖如圖4所示。拖輪所處船體不同方向和位置,起到不同的作用。T5號拖輪在船體東南處,主要作用為拖拉引領;T19號拖輪在船體西南處,主要作用為頂推調向;T20 號拖輪在船體東北處,主要作用為頂靠調向;T6號拖輪在船體西北處,與T20號成對,主要作用為頂靠調向;T21號拖輪在西南處,主要作用是拖拉和頂靠。最終達到將船體拖航到指定碼頭的目的。

圖4 船體拖航靠碼頭的拖輪布置圖Fig.4 Layout of tugboats with hull towed to dock

工況2的船體拖航碼頭作業分析,要掌握船體拖航進塢的時機,上模塊已提前進入船塢并由泰山吊起吊完成,準備就緒,只待下船體抵達后下落合攏就位。此時,船體在拖航拖曳下從指定碼頭進入大塢與上模塊匯合,圖5 為船體拖航進塢拖輪布置圖。在船體拖航進塢實施過程中,T6、T21 號拖輪位于船體南側,主要作用為頂靠調向,T5、T20號拖輪位于船體西側,主要作用為頂靠調向,T19號拖輪位于船體北側,在船塢內起到拖拉引領作用。

圖5 船體拖航進塢的拖輪布置圖Fig.5 Arrangement of tugboats for hull towing and docking

在工況3的大合攏后平臺拖航碼頭作業分析中,船體進塢后關閉塢門保留塢內水位為8.1 m,開展泰山吊上模塊大合攏作業。在船塢內完成上模塊和下船體精準合攏焊接后,將平臺壓載吃水增加到9 m,打開塢門將平臺拖曳出塢到指定碼頭,大合攏后平臺出塢的拖輪布置圖如圖6所示。平臺拖航出塢靠泊指定碼頭平臺,平臺西側和南側依然作為拖拉的頂推位置。

圖6 大合攏后平臺出塢的拖輪布置圖Fig.6 Layout of tugboats for platform undocking after intgration

工況4的大合攏后平臺在指定碼頭完成后續集成施工作業,以及強度試驗和傾斜試驗。當平臺已具備出港條件后,在拖輪配合下將已完工平臺運輸到指定錨地。已完工平臺離港拖輪布置如圖7所示,此時各個拖輪配合牽引拖曳已無須頂推。T5號拖輪在平臺東側帶“八字纜”,主要作用是引領轉向,T6號拖輪與T5號拖輪相對,在平臺西側同樣帶“八字纜”,主要作用是減速轉向,T20 號和T21號拖輪分別位于東南和東北方向,起到拖拉轉向作用,T19 號和T22 號拖輪分別位于西南和西北方向,起到減速轉向作用。

圖7 大合攏后平臺離港的拖輪布置圖Fig.7 Layout of tugboats leaving the port after platform integration

3.2 平臺拖航頂推點設計

通過對4種拖航工況下拖輪布置和拖輪作用分析,工況1平臺的東側、西側、南側需要頂推,工況2平臺的南側、西側需要頂推,工況3平臺的南側、西側需要頂推,工況4平臺離港可不頂推。

船體從錨地拖運至指定碼頭靠泊的過程中需要拖輪頂推條件就位,該工況下船體吃水為5.7 m,圖8為船體東側拖輪頂推示意圖。船體進塢需要避碰上部模塊,此階段平臺吃水為7.2 m,大合攏后,平臺出塢吃水增加到9 m。

圖8 船體東側頂推示意圖Fig.8 Schematic diagram of thrusting on the east side of hull

3.3 平臺頂推區域的處理

半潛式平臺在詳細設計階段已經提前考慮潛在的平臺拖航頂推位置,在平臺設計圖紙中體現了頂推區域(pushzone)。從平臺側向頂推圖中可見,設計拖航區域與平臺大合攏階段實際拖航頂推區域并不完全一致。因此在平臺建造中要結合拖航方案,對拖航區域結構強度重新校核,如有必要,應在建造完工前及時加固處理。對新的頂推區域內存在干涉的陽極應在建造完工前切割去除,平臺出塢后再重新修復布置陽極,對于平臺外立面直梯,如落入新頂推區域在建造階段可不預裝,待大合攏后,平臺出塢靠泊再安裝。對于經拖航分析計算確定后的新頂推區域建議使用清油漆框選,以備頂推時易分辨,不可跨出此區域。

3.4 拖輪與平臺導纜器避碰處理

半潛式平臺浮箱底部有南北浮筒各有8個導纜器,平臺拖航出塢時拖輪南側頂推時應注意采取避碰措施,如導纜器設備側向放置減少探出長度,位于南側拖輪船艏加裝圓筒護弦,確保拖輪球頭底部與導纜器保持3 m 以上安全距離。平臺南側拖輪頂推安全操作要領,拖輪船艏吃水不小于3.5 m,拖輪船艉吃水不小于4 m。拖輪以垂直向前頂推為宜,船身與平臺夾角范圍以±30°為宜。頂推時應緩慢進車至船艏護弦與平臺船體完全接觸后再提力;相對而言應緩慢退車至護弦與平臺船體脫離約1 m 后再提力。

4 平臺拖航安全控制措施

4.1 平臺拖航的作業環境選取

船體濕拖靠泊與進塢,大合攏后平臺出塢與離港作業條件,拖航實施的風速應不大于6級風,能見度不小于2 nm,作業浪高不大于1 m,必須在白天進行作業,潮流應不在急漲和急落環境,調整風流壓差,按計劃航線行船。

4.2 平臺拖航的作業保證措施

平臺拖航應嚴格遵守海上航行規范,建立拖航實施項目組織機構,運輸責任單位與煙臺引航站提前溝通確認航線和航線時間[11]。使用煙臺港拖輪,施工單位服從引航站專業引航員指揮調度,嚴格按照既定時間地點路線安排拖輪。拖航前按規定檢查,說有設備實施保證正常運轉留有檢查記錄。拖航中,所有作業船舶配備通信設備及時收聽頻道信息,及時與過往船只溝通確保航線無障礙,同時注意不要誤入海水養殖區[12]。拖航船員應穿戴齊全救生衣,按照安全操作規程進行作業,禁止“三違”。平臺拖航作業應急處置,如突然遭遇惡劣天氣,如大風、濃霧,或者出現船舶意外碰撞、船舶擱淺、人員落水、纜繩斷裂等,船上人員應利用拖輪將船舶停穩,積極開展人員救治,及時上報交通主管單位。

5 結 語

半潛式平臺拖航方案設計屬于平臺建造實施方案的重要組成部分。在平臺前期詳細設計階段已經開展頂推區域設計和結構強度校核。在平臺大合攏前后,拖航實施中,具體的拖航方案比設計頂推區域范圍有所增加,涉及已施工的平臺船體局部加強、陽極調整、舾裝施工順序調整等工作,建議在更早階段開展平臺進出塢拖航方案設計研究,減少施工修改。

本文對于平臺拖航中的4 種不同工況進行分析,以平臺拖航穩性計算和平臺拖輪總阻力計算為依據,結合計算報告設計進行拖輪選型和布置,對拖輪的頂推區域進行相應避碰處理,保證了平臺大合攏前后的拖航作業順利實施,為半潛式平臺拖航提供了施工參考。